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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antennenstruktur zur breitbandigen Übertragung elektrischer Signale, welche einen Streifenleiter und eine mit dem Streifenleiter kapazitiv oder induktiv koppelbare Sonde aufweist, wobei der Streifenleiter und die Sonde innerhalb eines vorgegebenen Abstandsbereiches zwischen Sonde und Streifenleiter in Längsrichtung des Streifenleiters relativ zueinander bewegbar angeordnet sind, sodass elektrische Signale berührungslos zwischen dem Streifenleiter und der Sonde übertragbar sind, wobei der Streifenleiter mindestens eine der Sonde zugewandte Streifenelektrode sowie eine Bezugselektrode und ein zwischen der Streifenelektrode und der Bezugselektrode befindliches dielektrisches Trägermaterial umfasst.
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Sollen elektrische Signale zwischen zwei relativ zueinander bewegbaren Bauteilen übertragen werden, wie es beispielsweise bei Kran- oder Förderanlagen, Radaranlagen oder Computertomographen notwendig ist, wird aus offensichtlichen Gründen versucht, auf bewegungseinschränkende Kabelverbindungen zu verzichten. Eine hierfür geeignete Vorrichtung ist in
DE 44 12 958 beschrieben. Das zu übertragende Signal wird hier in eine Streifenleitung der ersten Einheit, welche längs des Weges der Bewegung der gegeneinander beweglichen Einheiten angeordnet ist, eingespeist. Mittels kapazitiver oder induktiver Kopplung wird das Signal von der zweiten Einheit abgegriffen.
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Eine verbesserte Vorrichtung zur Übertragung, wie sie beispielsweise in der
WO 98/29919 beschrieben ist, basiert auf einer speziellen Leiterstruktur, welche gleichzeitig Filtereigenschaften besitzt.
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In den folgenden Ausführungen bezieht sich der Begriff „Streifenleiter“ auf alle Formen von Leiterstrukturen, deren Längsausdehnung größer ist als ihre Ausdehnung senkrecht zur Längsachse und welche geeignet sind, elektrische Signale zu führen. Die Signale werden im Nahfeld des Streifenleiters ausgekoppelt, wobei die Signalauskopplung im Idealfall ausschließlich im Bereich der zweiten Einheit erfolgen soll. Eine weitergehende Signalaussendung ist unerwünscht, da die breitbandigen Signale zu Störungen in anderen Geräten oder Geräteteilen führen können.
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Die zur Übertragung verwendeten Streifenleiter sind meist basierend auf doppelseitigen Leiterplatten aufgebaut. Als dielektrisches Trägermaterial dient in der Regel ein glasfaserverstärkter Kunststoff. Dieser Träger ist meist auf einer Seite mit einer durchgehenden Leiterfläche als Bezugselektrode und auf der anderen Seite mit einer Streifenelektrode versehen.
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Zu den schwierigsten technischen Problemen bei derartigen Antennenstrukturen zählt das Erreichen einer hohen Störfestigkeit sowie einer auf einen variierenden Empfangsbereich beschränkten Signalübertragung, d.h. einer niedrigen pauschalen Abstrahlung entlang des gesamten Streifenleiters.
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Eine Lösung, die diese Probleme vermeidet, ist in der
US-Patentschrift 5,287,117 angegeben. Hierin wird die Leiteranordnung durch mehrere kleine Antennensegmente ersetzt. Diese können auf Leiterplatten kleiner Fläche mit hochwertigen Materialien hergestellt werden. Allerdings ergibt sich auch hier durch die hohe Anzahl von Antennensegmenten ein hoher Materialeinsatz und insbesondere ein hoher Montageaufwand, was zu hohen Fertigungskosten führt.
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Die
EP 1 476 956 beschreibt Leiteranordnungen, welche mindestens ein Dielektrikum mit Hohlstrukturen verwendet, wobei die Hohlstrukturen mit Luft oder einem technischen Gas gefüllt sind. Nachteilig ist hier, neben dem hohen Aufwand für die Erzeugung und Füllung der Hohlstrukturen und den damit verbundenen hohen Kosten, vor allem die auftretenden Schwankungen in der Homogenität, da die Hohlraumzwischenwände und die Luft bzw. technischen Gase nicht die gleiche Dielektrizitätszahl aufweisen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine breitbandige und kostengünstige Vorrichtung zur Signalübertragung bereitzustellen, welche eine Leiterstruktur aufweist, die auch bei hohen Frequenzen eine hohe Symmetrie des Signals sowie niedrige Dämpfungswerte erreicht.
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Erfindungsgemäß wird die vorliegende Aufgabe durch eine Antennenstruktur mit den eingangs genannten Merkmalen gelöst, wobei das dielektrische Trägermaterial eine Makromoleküle enthaltende homogene Kunststoffschicht umfasst, die sich durch eine Ausrichtung der Makromoleküle entlang einer Vorzugsrichtung auszeichnet.
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Für die Signalübertragung mit hohen Datenraten bei geringer elektromagnetischer Abstrahlung und hoher Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischen Strahlungen ist es erforderlich, dass das dielektrische Trägermaterial eine sehr hohe Homogenität aufweist.
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Wird, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine Makromoleküle enthaltende Kunststoffschicht verwendet, kann durch Ausrichtung der Makromoleküle in einer Vorzugsrichtung die Homogenität des dielektrischen Trägermaterials verbessert werden. Durch die Ausrichtung der Makromoleküle werden eine ungleiche Ladungsverteilung im Material und eine ungewollte Verschiebung der Energieniveaus der chemischen Bindungsenergien, die auf eine Wechselwirkung zwischen den Makromolekülen zurückzuführen ist, unwahrscheinlicher. Damit sind die elektrischen und magnetischen Felder im Material insgesamt homogener.
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Es hat sich insbesondere als vorteilhaft herausgestellt, wenn die in der Kunststoffschicht enthaltenden Markomoleküle entlang der Längsrichtung des Streifenleiters ausgerichtet sind. Die Ausrichtung der Makromoleküle im dielektrischen Trägermaterial kann durch einen Reckprozess erreicht werden, bei dem das dielektrische Trägermaterial durch Applizieren einer Zugspannung in die gewünschte Vorzugsrichtung gestreckt wird. Durch die Verformung des Trägermaterials richten sich die untergeordneten Polymere und die teilkristallinen Bereiche der Kunststoffschicht etwa parallel zur Zugrichtung aus. Durch diese Maßnahme werden die Berührungsflächen zwischen den Makromolekülen größer, der Abstand geringer und das Gefüge homogener. Außerdem werden die Sekundärbindungen stärker.
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Darüber hinaus kann durch den Reckprozess die mechanische Festigkeit des dielektrischen Trägermaterials in Zugrichtung erhöht werden. Insbesondere bei langen Streifenleitern kann durch die Ausrichtung der Makromoleküle entlang der Längsrichtung des Streifenleiters eine Verbesserung der mechanischen Festigkeit und damit eine reduzierte Bruchgefahr des Streifenleiters beobachtet werden. Durch die Erhöhung der mechanischen Festigkeit und die reduzierte Bruchgefahr sind derartige Antennenstrukturen insbesondere zur breitbandigen Übertragung elektrischer Signale geeignet, bei denen Streifenleiter und/oder Sonden auf einer Kreisbahn umlaufen, wie es beispielsweise bei Drehübertragungssystemen für Computertomographen der Fall ist.
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Es versteht sich, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Ausrichtung der Makromoleküle entlang einer Vorzugsrichtung genüge getan ist, wenn eine überwiegende Anzahl der vorhandenen Makromoleküle entlang der gewählten Vorzugsrichtung ausgerichtet sind. Gleichermaßen versteht es sich, dass die Übertragung der Signale beidseitig, also der Streifenleiter als Sender und die Sonde als Empfänger oder aber auch der Streifenleiter als Empfänger und die Sonde als Sender betrieben werden können. Auch eine bidirektionale Signalübertragung ist denkbar. Dementsprechend kann im Sinne der vorliegenden Erfindung die Sonde auch als Streifenleiter bzw. als ein kurzer Abschnitt hiervon ausgestaltet sein.
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Der Streifenleiter ist meist nach einer Seite zum freien Raum offen. Von dieser Seite aus erfolgt die Ankopplung der Sonde. Die Sonde und optional auch deren Umhüllung sind von möglichst symmetrischen Flächen mit leitender Oberflache abgeschlossen. Damit lässt sich einerseits eine definierte Impedanz des Leitersystem erreichen und andererseits eine definiert symmetrische Begrenzung realisieren. Wäre keine definierte Bezugsfläche vorhanden, so wäre mindestens ein Teil des Gerätes, in dem die Antennenstruktur angebracht ist, als elektrischer Bezug wirksam, wodurch die geforderte Symmetrie nicht erreicht werden würde.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das dielektrische Trägermaterial zumindest eine weitere homogene dielektrische Schicht aufweist. Durch die weitere homogene dielektrische Schicht können Materialien mit verschiedenen elektrischen Eigenschaften derart kombiniert werden, dass das dielektrische Trägermaterial in seiner Gesamtheit zur Erzeugung homogener Felder geeignet ist. Außerdem können sich die mechanischen Eigenschaften der weiteren dielektrischen Schicht und der Kunststoffschicht unterscheiden, sodass das dielektrische Trägermaterial in seiner Gesamtheit auch nach entsprechend mechanischen Gesichtspunkten ausgestaltet werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Änderungen der Permitivitätszahl εr des dielektrischen Trägermaterials und/oder die Änderungen der Permitivitätszahl εr der weiteren dielektrischen Schicht in beliebiger Raumrichtung kleiner 5 %, vorzugweise kleiner 1 % und besonders bevorzugt kleiner 0,1 % sind. Sind die Änderungen der Permitivitätszahl εr kleiner als die vorgenannten Grenzwerte, ist die jeweilige dielektrische Schicht besonders homogen, sodass die dielektrischen Verluste nur extrem geringen Schwankungen unterliegen.
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Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass das dielektrische Trägermaterial zumindest eine mechanische Verstärkungsschicht aufweist. Beispielsweise kann eine glasfaserverstärkte Kunststoffschicht in das dielektrische Trägermaterial eingearbeitet bzw. mit diesem verbunden sein. Es hat sich außerdem gezeigt, dass ein Streifenleiter mit einem dielektrischen Trägermaterial, welches eine mechanische Verstärkungsschicht aufweist, besonders gut mechanisch formbar bzw. nachbearbeitbar ist, sodass der Streifenleiter zur Aufnahme in einem elektrischen Gerät besonders gut anpassbar ist.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Trägermaterial zumindest eine Äquipotentialfläche auf. Äquipotentialflächen helfen Asymmetrien im dielektrischen Trägermaterial auszugleichen, sodass das erzeugte elektrische und/oder magnetische Feld weitestgehend symmetrisch ist. Zur Ausbildung solcher Äquipotentialflächen können Schichten aus leitfähigem Material, insbesondere Material mit einer hohen Leitfähigkeit, in das dielektrische Trägermaterial eingelassen werden. Insbesondere könnte eine Schicht aus leitfähigem Material mit einer unvollständigen Flächenüberdeckung, wie z.B. ein Metallgitter, direkt bei der Herstellung des dielektrischen Trägermaterials in die Kunststoffschicht eingebracht werden, die im Betrieb als Äquitpotentialfläche Asymmetrien bzw. Störungen der erzeugten elektrischen und/oder magnetischen Felder herausfiltert. Je nach Ausführung können diese Schichten elektrisch isoliert eingebracht oder auch an den Enden des Streifenleiters reflektionsfrei abgeschlossen sein.
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Ist der Streifenleiter, wie in einer Ausführungsform vorgesehen, im Querschnitt spiegelsymmetrisch aufgebaut, so kann die Ausdehnung der erzeugten elektrischen und magnetischen Felder besonders gut begrenzt werden. Hier und im folgenden ist die Symmetrie im Bezug auf die Längsmittelebene des Streifenleiters zu verstehen. Die Ausgestaltung symmetrischer Streifenleiter verhindert, dass durch unterschiedliche Laufzeiten in der Streifenelektrode, der Bezugselektrode und/oder dem dielektrischen Trägermaterial Inhomogenitäten und/oder Asymmetrien ausgebildet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der kleinste Abstand zwischen Streifenleiter und Sonde, gemessen von der der Sonde zugewandten Oberfläche der Streifenelektrode bis zu der dem Streifenleiter zugewandten Oberfläche der Sonde, kleiner 15 mm, bevorzugt kleiner 8 mm und liegt besonders bevorzugt im Bereich von 1 mm bis 4 mm.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mindestens eine Streifenelektrode und die Bezugselektrode jeweils auf eine Kunststofffolie aufgedruckt sind. Es hat sich gezeigt, dass die Herstellung eines Streifenleiters besonders kostengünstig realisiert werden kann, wenn die Streifenelektrode und die Bezugselektrode jeweils auf eine Kunststofffolie aufgedruckt werden, und diese anschließend an oder auf dem dielektrischen Trägermaterial angeordnet werden. Besonders bevorzugt ist die Streifenelektrode und die Bezugselektrode aus Kupfer hergestellt, das auf jeweils eine Kunststofffolie aufgedruckt wird. Die Kunststofffolie selbst kann dabei in einer Ausführungsform das dielektrische Trägermaterial sein.
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In einer Ausführungsform weist der Streifenleiter zwei Streifenelektroden auf, die in der gleichen Ebene parallel und im Abstand zueinander angeordnet sind. Derartig symmetrische Streifenleiter können besonders abstrahlungsarm realisiert werden, wobei insbesondere durch Verwendung symmetrischer bzw. asymmetrischer, elektrischer Signale auf zwei parallele Streifen Störungen ausgeglichen werden können. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sollen von dem Begriff „parallel“ auch derartige Anordnungen umfasst sein, bei denen die Streifenelektroden zwar in sich strukturiert sind, wohl aber als Ganzes im wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist eine Sendeelektronik vorgesehen, welche derart ausgebildet ist, dass sie zwischen der ersten Streifenelektrode und der Bezugselektrode und zwischen der zweiten Streifenelektrode und der Bezugselektrode Signale anlegt, die eine entgegengesetzte Polarität haben. Durch die Beaufschlagung von entgegengesetzt polarisierten Signalen wird eine differentielle Übertragung ermöglicht, bei der selektive Störungen, insbesondere Asymmetrien und Inhomogenitäten, ausgeglichen werden können. Auch sind derartige symmetrische Antennenstrukturen besonders abstrahlungsarm, da sich die elektrischen und magnetischen Felder im Fernbereich gegenseitig aufheben.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen und den dazu gehörigen Figuren. Es zeigen:
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1 eine teilweise weggebrochene Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur und
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2 einen schematischen Querschnitt durch einen Streifenleiter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist eine teilweise weggebrochene Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Antennenstruktur 1 dargestellt. Für die breitbandige Übertragung elektrischer Signale weist die Antennenstruktur 1 einen Streifenleiter 2 und eine Sonde 3 auf, die innerhalb eines vorgegebenen Abstandsbereiches in Längsrichtung des Streifenleiters 2 relativ zueinander bewegbar angeordnet sind. Der Streifenleiter 2 hat eine größere Längsausdehnung als die Sonde 3. Während der Relativbewegung kann eine Signalübertragung zwischen Streifenleiter 2 und Sonde 3 erfolgen.
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Der Streifenleiter 2 weist zwei der Sonde 3 zugewandte Streifenelektroden 4, 4’, eine Bezugselektrode 5 sowie ein zwischen den Streifenelektroden 4, 4’ und der Bezugselektrode 5 befindliches dielektrisches Trägermaterial 6 auf. Dabei sind die Streifenelektroden 4, 4’ und die Bezugselektrode 5 parallel zueinander auf gegenüberliegenden Seiten des dielektrischen Trägermaterials 6 angeordnet.
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Wird im Betrieb der Antennenstruktur 1 ein von einer Sendeelektronik 11 bereitgestelltes Spannungssignal zwischen den Streifenelektroden 4, 4’ und der Bezugselektrode 5 angelegt, werden durch Ladungsverschiebungen im dielektrischen Trägermaterial 6 elektrische und magnetische Felder erzeugt. Aufgrund der Anordnung der Streifenelektroden 4, 4’, der Bezugselektrode 5 und dem dielektrischem Trägermaterial 6, erstrecken sich die Feldlinien der erzeugten Felder im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung des Streifenleiters 2.
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Um den Einfluss von Fremdfeldern, Asymmetrien und/oder Inhomogenitäten zu reduzieren, haben die Spannungssignale zwischen der ersten Streifenelektrode 4 und der Bezugselektrode 5 und zwischen der zweiten Streifenelektrode 4’ und der Bezugselektrode 5 entgegengesetzte Polaritäten im übrigen jedoch einen identischen Signalverlauf. Dabei ist es von Vorteil, dass das dielektrische Trägermaterial 6 eine Makromoleküle enthaltende Kunststoffschicht umfasst, wobei die überwiegende Anzahl der in der Kunststoffschicht enthaltenden Makromoleküle in Längsrichtung des Streifenleiters 2 ausgerichtet sind. Die Ausrichtung der Makromoleküle führt dazu, dass das dielektrische Trägermaterial 6, welches hier einzig aus der Kunststoffschicht 7 gefertigt ist, die erforderliche Homogenität aufweist, um die breitbandige Übertragung elektrischer Signale mit räumlich begrenzt wirksamen elektrischen oder magnetischen Feldern zu ermöglichen.
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Die erzeugten Felder können durch kapazitive oder induktive Kopplung auf die Sonde 3 übertragen werden, wobei der Streifenleiter 2 und die Sonde 3 einen minimalen Abstand zueinander aufweisen, der gemessen von der der Sonde zugewandten Oberfläche der Streifenelektrode 4 bis zu der dem Streifenleiter 2 zugewandten Oberfläche der Sonde 3, kleiner als 15 mm ist.
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Die Sonde 3 ist bei dieser Ausführungsform wie der Streifenleiter 2 ausgebildet, sodass die Antennenstruktur 1 für die bidirektionale Übertragung von Signalen zwischen Streifenleiter 2 und Sonde 3 geeignet ist.
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In der 2 ist ein schematischer Querschnitt durch einen Streifenleiter 2 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Streifenleiter 2 weist zwei parallele Streifenelektroden 4, 4’ auf, die aus Kupfer bestehen und die auf eine Kunststofffolie 12 aufgedruckt sind. Unterhalb der Streifenelektroden 4, 4’ ist die Kunststofffolie 12 mit einem dielektrischen Trägermaterial 6 verbunden, welches aus mehreren Schichten aufgebaut ist. Eine erste Schicht ist eine Makromoleküle enthaltende homogene Kunststoffschicht 7, die sich durch eine Ausrichtung der Makromoleküle entlang der Längsrichtung des Streifenleiters 2 auszeichnet. Die Permitivitätszahl εr der homogenen Kunststoffschicht 7 ändert sich in beliebiger Raumrichtung um weniger als 5 %.
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Unterhalb der homogenen Kunststoffschicht 7 sind eine weitere homogene, dielektrische Materialschicht 8 und eine mechanische Verstärkungsschicht 9 angeordnet. Zwischen der weiteren dielektrischen Materialschicht 8 und der mechanischen Verstärkungsschicht 9 ist ein Metallgitter eingebettet, das im Betrieb eine Äquipotentialfläche 10 ausbildet. Die homogene Kunststoffschicht 7, die weitere dielektrische Materialschicht 8, das Metallgitter als Äquipotentialfläche 10 und die mechanische Verstärkungsschicht 8 bilden gemeinsam das dielektrische Trägermaterial 6. Wie in der Querschnittsansicht ersichtlich, ist der Streifenleiter 2 im Querschnitt symmetrisch aufgebaut.
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Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den abhängigen Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen und die Betonung der Unabhängigkeit der einzelnen Merkmale voneinander wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antennenstruktur
- 2
- Streifenleiter
- 3
- Sonde
- 4, 4’
- Streifenelektrode
- 5
- Bezugselektrode
- 6
- dielektrisches Trägermaterial
- 7
- homogene Kunststoffschicht
- 8
- homogene dielektrische Schicht
- 9
- mechanische Verstärkungsschicht
- 10
- Äquipotentialfläche
- 11
- Sendeelektronik
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4412958 [0002]
- WO 98/29919 [0003]
- US 5287117 [0007]
- EP 1476956 [0008]